大型風電場并網運行的若干技術問題研究

汪天呈 王克 甘瑜前

摘要：首先對大型風電場并網運行模式進行了簡要介紹，然后在此基礎上，針對大型風電場并網運行中主要面臨的技術問題進行了研究，為我國大型風電場規劃設計與運行提供了參考。

關鍵詞：大型風電場;并網運行;共振型低頻振蕩;抗干擾能力評價

0 引言

風能屬于可再生資源，在全球能源緊缺的背景下，風能的開發利用受到了全世界的廣泛關注，風電技術得到了不斷發展。我國具有豐富的風能資源，為風電項目開發創造了有利條件。與常規能源發電相比，我國的風力發電具有一定特殊性：一方面是風能資源不均衡，雖然我國具有豐富的風能資源，但主要集中在華北、西北及東部沿海地區，風能資源分布不均衡使許多大型風電場在進行風力發電時，需要依靠超高壓系統輸出風電，相較于世界其他地方，我國風電場裝機容量較大，給風電場電網的穩定性等帶來負面影響。風電系統并網運行不僅導致整個電力系統更加復雜，還會嚴重影響電能質量及輸電穩定性。另一方面是受到輸電形式的影響，目前我國大型風電場主要采用的是直流輸電系統進行風電輸送，將西部地區大型風電場產生的電能向東部負荷中心輸送，以此解決風能資源不平衡的問題。本文在充分利用、開發風能資源的基礎上，分析大型風電場并網運行存在的技術問題，希望能為風電場的規劃、設計及運行提供參考。

1 發電機并網運行

發電機并網運行就是將發電機同步并入電網中，對電網輸出電能。發電機并網運行屬于一種運行連接模式，在這一模式中將發電機與系統電網連接，并保持發電機的電壓、頻率等與系統電網一致。目前在發電機并網運行中，主要是通過準同期和自同期兩種方法并網，其中準同期指的是將發電機的電壓、頻率、相位等與系統電網保持一致，從而實現與電網系統并網;自同期是指待系統電網與發電機的共有頻率一致時，將發電機出口斷路器合上，并與電網系統連接，然后再將發電機的勵磁電流、壓力升高，進而實現與電網系統并網運行。從實際應用情況來看，在大型風電場中，主要是通過準同期模式進行并網，借助微機技術判斷是否達到同期條件，然后在此基礎上自動發出斷路器合閘信號，進而實現并網。大型風電場并網模式如圖1所示。

風力發電場并網運行，除了風能本身具有環保優勢以外，還具備以下幾個方面的優點：（1）建設工期短，發電機組及其他輔助性設備在設計和安裝時較簡單，一般情況下，建立一個10 MW級的風電場，建設工期不會超過1年。（2）占地面積小，且對土地質量要求低。在大型風電場中，風電機組設備所占的建筑面積較小，所以一般情況下其他場地還可用于農牧業和漁業發展。（3）自動化程度高，隨著科技的發展，可實現對風電場的自動化運行管理，不需要配置專門人員值守。

風電場并網運行雖然有許多優點，但也存在局限性，主要表現在以下幾個方面：（1）自然風能不可控，難以實現風能的大量儲存，在現有技術條件下難以對風電機組進行有效調節;（2）供電不穩定，這主要是因為難以準確對風速進行預測，且發電機組在輸出電能時存在隨機性問題，不能滿足發電容量需求;（3）風能利用率較低，相較于水輪機，要想獲得同樣的發電容量，就需要增大風力發電機的尺寸，主要是因為風能的能量密度較低，實際上風力發電機的最大風能利用率是40%，所以一定程度上會阻礙風電機組容量及風電場規模的進一步發展。

2 大型風電場并網運行中重點需要解決的技術問題

2.1? ? 輸電系統共振型低頻振蕩風險問題

在單機容量有限的情況下，一般情況下，小型風電場與系統電網并網之后，風電場與發電機距離較遠，所以基本不會出現功率諧振的情況。但是對于直接聯入輸電網絡的大型風電場而言，則很容易出現共振型低頻振蕩風險。導致這一風險發生的主要原因包括：（1）原動力不可控，也就上述提到的風力發電具有不可控的特點，自然風速具有隨機性和不穩定性，風能在導入每一組風力發電機時都可能成為激勵源。（2）相較于常規的發電機組，風電機組在整體結構上具有較高的柔性，使得機械振動問題難以避免，并直接導致風電機組存在輸出功率振蕩的問題。（3）在平均轉矩方面，風電機組的平均轉矩比傳統發電機組的平均轉矩要高出20%以上，尤其是對于大型風電場而言，風電機組還會出現幾十萬千瓦的功率振蕩，嚴重威脅輸電系統的安全性和穩定性。（4）在風電場功率振蕩頻率與電力系統的低頻振蕩頻率一致的情況下，發生共振風險的概率大大提升。

2.2? ? 輸電系統抗干擾能力評價與預警問題

隨著科技發展，我國在風力發電技術上取得了顯著成效，但仍然經常發生風電事故，主要是因為風電機組及風電場并網時，缺乏完善的監測指標和制度，大部分風電機組在電能質量、功率、電壓及調節功能等方面并未形成科學的監測系統，加之風電場本身比常規電場的抗干擾能力低，所以在風電場并網運行中的持續性發電受到阻礙。尤其是對于一些大型且抗干擾能力較差的風電場而言，在并網運行時很容易出現反復脫網的問題，不利于保障輸電系統的安全性和穩定性。除此之外，相較于常規電站，風電場具有一定的特殊性，不僅需要大量機組，且目前許多大型風電場并沒有建立起可靠性較高的數學模型，無法對風電場的離線穩定性等參數進行準確計算和分析，在風電機組長時間運行的情況下，會影響輸電系統的穩定性。因此，大型風電場在并網之前應當進行嚴格的測試，并在并網后進行實時、動態地抗干擾能力監測與評價，以此對大型風電場的安全性進行分析，一旦出現異常情況可及時向大型風電場的電網運行人員發出報警信息，使其能科學有效地進行應急處理。

2.3? ? 風電機組與其他常規機組協調控制問題

大型風電場并網運行后，很多學者主要針對其發電穩定性進行了研究和分析，因為發電穩定性尤其重要，一旦發電出現異常，就會對大型風電場的接入元件造成損壞，進而引發風電事故。但是，大型風電場并網運行后，其發電穩定性是變好還是變壞，并沒有一個系統的、固定的結論。相關專家雖然對大電網接入大型風電場中其穩定性趨于變好還是變差進行了系統研究，但是仍然存在一些問題，主要表現在當電網大規模接受異步電動機導出的功率時，仍未徹底解決如何做到“趨利避害”，確保電網接入大型風電機組系統時整體系統穩定性的提升的問題，關鍵在于風電機組與其他常規機組的協調控制問題，需要對大型風電機組對同步機組產生的影響以及風電機組與其他常規同步機組的交互作用進行研究。

3 結語

我國大型風電場大規模并網運行是一項復雜的工程，為確保大規模并網運行工程能順利開展，需要對當前大型風電場并網運行技術進行改造與升級。為此，本文在介紹發電機并網運行模式的基礎上，提出了大型風電場并網運行時需要解決的3個技術問題，希望能更好地促進大型風電場大規模并網運行工程的發展。

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收稿日期：2020-07-22

作者簡介：汪天呈（1990—），男，安徽黃山人，碩士研究生，研究方向：新能源并網。